Thèse de
DOCTORAT EN SCIENCES
En Génie Civil
Option : Matériaux TITRE:DURABILITÉ DES VARIETÉS DE BÉTONS
Carbonatation- Perméabilité- Milieu Agressif
Présentée par
: CHIKER Tarek
Directeur de thèse
: Pr. HOUARI Hacène
Soutenu le 06/04/2017 devant le jury composé de:
Président : Pr. BEROUAL Ahmed Université des Frères Mentouri, Constantine Rapporteur de thèse : Pr. CHIKH Nasr Eddine Université des Frères Mentouri, Constantine Co-Encadreur : AGGOUN Salima (HDR.) Université de Cergy-Pontoise, France Examinateurs : Pr. BENOUIS Abdelhalim Université de Guelma
Pr. BOUDAOUD Zineddine Université de Oum El Bouaghi Membre invité : Pr. HOUARI Hacène
FACULTÉ DES SCIENCES DE LA TECHNOLOGIE DÉPARTEMENT DE GÉNIE CIVIL
2
Résumé
L'utilisation des ajouts minéraux et des déchets industriels a marqué l'industrie moderne du béton et ciment. L'objectif majeur de cette action est de répondre aux exigences de développement soutenable et des questions écologiques. Certes, l'incorporation de ces matériaux a une influence bénéfique sur l'environnement par la diminution du taux de clinker entrant dans la fabrication des bétons et ciments. Cependant, ses qualités cimentaires et ses propriétés d'engineering doivent être étudiées avant de passer à l'adoption pratique. Dans cette étude, on a investi les propriétés mécaniques, d'hydratation et de durabilité des bétons et mortiers à base de ciment au filler calcaire (CFC). Les variables sont le type du béton/mortier (ordinaire O, autoplaçant A et compacté au rouleau R); le rapport E/C et le type d'ajout minéral, filler calcaire (FC) ou fumée de silice (FS). Par consequent, nous avons fabriqué 16 bétons (O0.8, O0.5, O0.3F, O0.3S ; A0.8F, A0.8S, A0.5F, A0.5S, A0.3F, A0.3S; R0.8F, R0.8S, R0.5F, R0.5S R0.3F et R0.3S), et 17 mortiers (MO0,8, MO0,5ref, MO0,5 ,MO0,3F ,MO0,3S ; MA0,8F ,MA0,8S ,MA0,5L ,MA0,5S ,MA0,3F, MA0,3S ,MR0,8F ,MR0,8S ,MR0,5L ,MR0,5S ,MR0,3F ,MR0,3S). Le mortier de référence MO0.5ref a été basé sur CEM I. Les essais opérés sur béton sont la résistance mécanique à la compression, l'absorption capillaire à l'eau, le changement de masse dans les solutions de sulfates et sulfates/chlorures, la profondeur de pénétration des chlorures et les prises au MEB. En plus de ces tests, on a complété l'étude sur mortier par les essais de chaleur d'hydratation par calorimétrie, analyse thermogravimétrique et test de migration rapide des chlorures.
Les résultats majeurs de cette étude sont: Le rapport E/C est le facteur primordial pour tout type de béton/mortier; les mélanges compactés ont marqué les plus faibles performances; les mélanges ordinaires et autoplaçants ont enregistrés des valeurs similaires; la fumée de silice a été bénéfique surtout pour les bétons en cas d'attaque sulfatique.
On a conclu ainsi: l'influence de la structure poreuse des mélanges est plus significative que la composition chimique de la matrice liante, surtout en cas de l'attaque sulfatique; l'absorption capillaire est un bon indicateur de la durabilité, et peut être corrélée à la résistance aux chlorures qu'aux sulfates; la présence des chlorures en alternance avec les sulfates a aggravé la détérioration des bétons, et cet effet a été inversé en cas des mortiers.
Mots clés: ciment au calcaire, filler calcaire, fumée de silice, sulfates, chlorures, hydratation.
3
Abstract
The use of mineral admixtures and industrial wastes has marked the modern industry of concrete and cement. The major aim of this action is to meet the requirements of sustainable development and ecological issues. Certainly, the incorporation of those materials has a beneficial influence on the environment by the decreasing the rate of incoming clinker in the manufacture of concretes and cements. However, their qualities and engineering properties must be studied before proceeding to the practice adoption. In this study, we investigated the mechanical properties, hydration and durability of concretes and mortars based on limestone cement (CFC). The variables are the type of concrete/mortar (Ordinary O, Self-consolidating, and roller compacted R); the E/C report and the type of added mineral, limestone filler (CF) or silica fume (FS).
Consequently, we have manufactured 16 concretes (O0.8, O0.5, O0.3F, O0.3S; A0.8F, A0.8S, A0.5F, A0.5S, A0.3F, A0.3S; R0.8F, R0.8S, R0.5F, R0.5S R0.3F and R0.3S), and 17 mortars (MO0,8, MO0,5ref, MO0,5 ,MO0,3F ,MO0,3S; MA0,8F ,MA0,8S ,MA0,5L ,MA0,5S ,MA0,3F, MA0,3S ,MR0,8F ,MR0,8S ,MR0,5L ,MR0,5S ,MR0,3F ,MR0,3S). The reference mortar MO0.5ref has been based on CEM I. The tests made on concrete are the compressive strength, the water capillary absorption, the mass change in the solutions of sulfate and sulfate/chloride, the penetration of chloride and SEM monographs. In addition to those tests, it has completed the study on mortar by the tests of heat of hydration by calorimetry, thermogravimetric analysis and rapid test of of chloride migration.
The main results of this study are: the E/C report is the overriding factor for any type of concrete/mortar; the compacted mixtures have marked the lowest performance; the ordinary and self-consolidating mixtures have recorded similar values; silica fume has been beneficial especially for concretes under sulfate attack.
Furthermore, it was concluded that: the influence of the porous structure of the mixtures is more significant than the chemical composition of the binder, especially in the case of the sulfatique attack; the capillary absorption is a good indicator of the durability, and can be correlated with the resistance to chloride than sulfates; the presence of chloride in alternation with sulfate has exacerbated the deterioration of concretes, and this effect was reversed in the case of mortars.
4
5
Remerciements
Grands remerciements à:
Mes directeurs de thèse M. Hacène HOUARI et Mme. Salima AGGOUN pour le sérieux, le savoir-faire et le caractère humanitaire. J'avoue que j'ai de la chance de les rencontrer. Franchement, ils ont sculpté mon manuscrit et ma personnalité !
Les honorables membres de Jury. Monsieur Pr. Ahmed BEROUAL qui a accepté de présider le Jury de ma thèse. Je suis vraiment reconnaissant à Monsieur Pr. Nasr Edine CHIKH qui nous a honoré en acceptant d'être Rapporteur de Thèse. J'apprécie encore nos chers examinateurs Pr. Abdelhalim BENOUIS et Pr. Zinedine BOUDAOUD qui ont admis son hésitation notre invitation d'examiner le manuscrit. Je vous remercie pour votre souci d'améliorer et de valoriser le travail fourni.
Notre ministère de l'enseignement supérieur et de la recherche scientifique pour la bourse PNE 2014-2016.
Tous les membres du Laboratoire de Matériaux et Durabilité des Constructions et du Département de Génie Civil de l'université de Constantine.
Les staffs techniques des laboratoires de Jijel et de Cergy-Pontoise. Un grand salut à M. Yannick MELINGE, le Directeur du laboratoire L2MGC, Albert NOMOE, El-Hadj KADRI, Abdelhak KACI, Ilhem GHORBEL, George WARDEH, Annelise COUSTURE, Lilian CHRISTOFOL, Noémie CHAUMON, Isabelle COLET. Ainsi que les doctorants: Hamza SOUALHI, Zineddine Elyas TAHAR, Arthur BORDY, Olivier HELSON, Amel BOURGHIBA, Omari SAFIOULLAH, Florent FOREST, Mariem LIMAIEM, Minh Duc NGUYEN, Thanh-Ha NGUYEN, Ishak YAKOUBI, Raouf BELKADI et Oana KARASKA.
Encore je suis reconnaissant aux chercheurs du Laboratoire LMDC de l'INSA de Toulouse pour l'accueil chaleureux et l'aide précieuse sur les essais de caractérisation de la microstructure. En particulier M. Pierre Clastres, l'Ex-Directeur du Département de Génie Civil.
Ma grande et petite familles (Mère, Père, frères et sœurs, ma femme, mes fils KINANE et AMIR).
6
Table des matières
Résumé ... 2
Abstract ... 3
ﺺﺨﻠﻣ ... 4
Remerciements ... 5
Table des matières ... 6
Liste des abréviations ... 10
Liste des tableaux ... 11
Liste des figures ... 12
Chapitre 1 Présentation de la thèse ... 15
1.1 Question de recherche ... 15
1.2 Bibliographie sur la question de recherche ... 17
1.2.1 Influence du système CFC /Ajouts minéraux sur la résistance mécanique ... 18
1.2.2 Influence du système CFC /Ajouts minéraux sur l’action des chlorures ... 21
1.2.3 Influence du système CFC /Ajouts minéraux sur l’action des sulfates ... 21
1.3 Objectifs ... 22
1.4 Motivations ... 23
1.5 Méthodologie ... 24
1.6 Plan de thèse ... 25
Conclusions ... 26
7
2.1 Le ciment Portland ... 27
2.1.1 Généralités ... 27
2.1.2 L’hydratation du ciment portland ... 29
2.1.3 Mécanisme de la prise de la pâte du ciment ... 33
2.1.4 La microstructure de la pâte de ciment durci ... 33
2.2 La durabilité des bétons ... 35
2.2.1 La durabilité ... 35
2.2.2 Les causes de dégradation du béton ... 36
2.2.3 Les classes d’exposition ... 42
2.3 Les ajouts minéraux ... 43
2.3.1 Définition ... 43
2.3.2 Classification ... 44
2.4 Matrices cimentaires à base du filler calcaire ... 45
2.4.1 Définitions ... 46
2.4.2 Historique ... 48
2.4.3 Influence du FC sur l’hydratation du ciment ... 49
2.4.4 Influence du FC sur la résistance mécanique ... 50
2.4.5 Influence du FC sur les paramètres de transfert ... 52
2.4.6 Influence du FC sur l’attaque sulfatique ... 53
2.4.7 Influence du FC sur la pénétration des chlorures ... 54
2.5 Influence de la fumée de silice ... 55
2.5.1 La fumée de silice ... 55
2.5.2 Influence de FS sur l’hydratation du ciment portland ... 56
2.5.3 Influence de FS sur la résistance mécanique ... 56
2.5.4 Influence de FS sur les propriétés au jeune âge ... 58
2.5.5 Influence de FS sur les propriétés du transfert ... 59
2.5.6 Influence de FS sur l’attaque sulfatique ... 59
2.5.7 Influence de FS sur l’attaque des chlorures ... 60
2.6 Cas de Béton Autoplaçant BAP ... 61
8
2.6.2 Influence du filler calcaire sur les propriétés du BAP ... 61
2.6.3 Influence de la fumée de silice sur les propriétés des BAP ... 63
2.7 Cas du Béton Compacté au Rouleau de Pavage BCRP ... 64
2.7.1 Définition ... 64
2.7.2 BCRP avec cendres volantes CV ... 65
2.7.3 Le BCRP avec la fumée de silice ... 66
2.7.4 Résistance des BCR aux sulfates ... 67
2.7.5 Résistance du BCR à l’action des Chlorures ... 67
Conclusions ... 67
Chapitre 3 Programme expérimental ... 69
3.1 Les mélanges bétons ... 69
3.1.1 Matériaux ... 69
3.1.2 Formulation, mise en place et cure ... 71
3.1.3 Procédures expérimentales ... 73
3.2 Les mélanges du mortier ... 77
3.2.1 Matériaux ... 77
3.2.2 Formulation et cure ... 80
3.2.3 Procédures expérimentales ... 81
Conclusions ... 88
Chapitre 4 Résultats et Discussions ... 89
4.1 Partie 1: Bétons ... 89
4.1.1 Résistance à la compression ... 89
4.1.2 Absorption capillaire ... 91
4.1.3 Changement de masse dans la solution sulfates ... 93
4.1.4 Changement de masse dans la solution sulfates/chlorures ... 94
4.1.5 Profondeur de pénétration des chlorures au mode sulfates/chlorures ... 97
4.1.6 Les observations au MEB des bétons avec E/C=0.8 ... 99
4.2 Partie 2: Mortiers ... 101
9
4.2.2 Calorimétrie ... 104
4.2.3 ATG et degré d'hydratation ... 107
4.2.4 Absorption capillaire ... 110
4.2.5 Image MEB des mortiers avant attaques chimiques ... 112
4.2.6 Caractéristiques des mortiers après immersion dans la solution sulfates ... 114
4.2.7 Caractéristiques des mortiers après immersion dans la solution sulfates/chlorures ... 119
4.2.8 Test de migration rapide des chlorures ... 122
Conclusions ... 123
Conclusion générale ... 127
10
Liste des abréviations
BO ou O béton ordinaireBAP ou A béton autoplaçant
BCR ou R béton compacté au rouleau
BCRP béton compacté au rouleau pour pavage MO mortier ordinaire
MAP mortier autoplaçant
MCR mortier compacté au rouleau CFC ciment au filler calcaire FC filler calcaire
FS fumée de silice
11
Liste des tableaux
Tableau 1 - Composition en oxydes du ciment portland (source :Réf.24) ...28
Tableau 2 - Les caractéristiques des phases du ciment portland (source :Réf.26) ...28
Tableau 3 - Domaines d’application et composition minéralogique des ciments (Source : Ref.21) ...29
Tableau 4 - Composition de la pâte du ciment durci d’un CEM I avec E/C= 0.5 (source : Réf.27) ...34
Tableau 5 - Classes d’exposition selon NF EN 206-1 (source : Cimbéton) ...43
Tableau 6 - Classification des additifs selon la norme EN 206-1 et BS 8500 (source :Réf.44) ...44
Tableau 7 - Classification, composition et caractéristiques des ajouts pozzolaniques (source : Réf.32)45 Tableau 8 - Composition typique du filler calcaire (source: Réf.10) ...47
Tableau 9 - Historique d'utilisation des ciments au calcaire. ...48
Tableau 10 - Composition chimique de la FS (source : Réf.72) ...56
Tableau 11 - Caractéristiques des BCR (source : Réf.133) ...64
Tableau 12 - Caractéristiques des fines utilisées. ...70
Tableau 13 - Caractéristiques de l'adjuvant utilisé. ...71
Tableau 14 - Composition des bétons étudiés. ...72
Tableau 15 - Caractéristiques chimiques et physiques des fines pour mortiers. ...79
Tableau 16 - Caractéristiques de l'adjuvant utilisé. ...79
Tableau 17 - Composition d'un m3 de mortiers. ...80
Tableau 18 - Coefficient d'absorption capillaire à l'eau des bétons étudiés. ...92
Tableau 19 - Quantité de portlandite et perte de masse en décarbonatation dans les échantillons de mortier (Essai ATD/ATG)... 107
12
Liste des figures
Figure 1 – Ciments utilisés en Europe en 2000 (Cembureau data8) ...17
Figure 2 – Résistance à la compression des bétons à base de CFC et de laiter...18
Figure 3 - Résistance à la compression à 65 jours des mortiers à base de ciment (85%) et de laitier (15%) (source : Réf.10) ...19
Figure 4 - Influence de l'ajout de la fumée de silice sur la résistance à la compression des mortiers à base de filler calcaire (source : Réf.12) ...20
Figure 5 - Influence du taux de substitution de la fumé de silice sur la résistance à la compression des mortiers à base de CFC (Source: Réf.13) ...20
Figure 6 - Influence des combinaisons ajouts minéraux/CFC sur le coefficient de pénétration de chlorures (source : Réf.16) ...21
Figure 7 - L’action des sulfates dans les bétons à base de CFC ...22
Figure 8 - Représentation schématique des étapes de l’hydratation (source : Vernet 1965 reportée par Réf.24) ...32
Figure 9 - Microstructure de la pâte du ciment (source : Réf.27) ...35
Figure 10 - Les causes physiques de détérioration du béton (source : Réf.32) ...36
Figure 11 - La dégradation du béton due aux attaques chimiques (Source: Réf.32) ...37
Figure 12 - Les facteurs influençant la durabilité (source : Réf.35) ...37
Figure 13 - Les facteurs causant la dégradation des structures en béton armé (source : Réf.35) ...38
Figure 14 - Processus de la corrosion par piqures due aux chlorures (source : Réf.38) ...39
Figure 15 - L’attaque sulfatique classique associée à la formation d’ettringite (source : Réf.42) ...41
Figure 16 - Granulométrie de ciment et du filler calcaire (source: Réf.45) ...46
Figure 17 - Influence de FC sur le taux de dégagement de chaleur d’hydratation à 20°C (source : Réf.45) ...49
Figure 18 - Évolution de produits d'hydratation dans les CFC ...50
Figure 19 - Influence de différents ajouts minéraux sur la résistance à la compression des mortiers (source : Réf.59) ...51
13
Figure 20 - Changement relatif de la résistance à la compression et de porosité des bétons au CFC
(Source: Réf.48) ...52
Figure 21 - La distribution porale différentielle des mortiers de CEM I, CFC et CL (source : Réf.50) .53 Figure 22 - Cubes de mortiers en FC exposés pendant un an aux sulfates de sodium et aux sulfates de magnésium (Source : Réf.64) ...54
Figure 23 - Image au MEB de la fumée de silice (source : ACI71 ...55
Figure 24 - Influence de la FS sur la résistance à la compression (source :Réf.79) ...57
Figure 25 - Influence du rapport E/C et du taux de substitution de FS sur la résistance à la flexion des béton (source: Réf.72). ...57
Figure 26 - Influence du taux de substitution en FS sur l'étalement des pâtes (source: Réf.89) ...58
Figure 27 - Expansion due à l'attaque sulfatique de différents mortiers (source :Réf.71) ...59
Figure 28 - Influence de type de fumé de silice sur la charge passé au test de migration ASTM (source: Réf.94) ...60
Figure 29 - Distribution granulométrique des granulats et du filler calcaire. ...70
Figure 30 - Procédure du test d'absorption capillaire. ...74
Figure 31 - Immersion des échantillons de bétons dans les solutions de sulfates et sulfates/chlorures. ...75
Figure 32 - Échantillons métallisés à l'or pour les observations microstructurelles de la morphologie au MEB. ...76
Figure 33 - Appareil MEB du laboratoire L2MGC (Université de Cergy-Pontoise). ...77
Figure 34 - Granulométrie du sable et de filler calcaire. ...78
Figure 35 - Appareil et eprouvette de mortier pour essai de compression simple. ...82
Figure 36 - Essais d'absorption capillaire pour éprouvettes de mortier. ...82
Figure 37 - Appareil de mesure de changement de longueur des échantillons de mortier. ...83
Figure 38 - Éprouvettes de mortier immergées dans les solutions chimiques. ...84
Figure 39 - Calorimètre (L2MGC: Université de Cergy-Pontoise)...85
Figure 40 - Appareil d'analyse thermogravimétrique du Laboratoire L2MGC de l'Université de Cergy-Pontoise. ...86
Figure 41 - Exemple de perte de masse obtenu par analyse thermogravimétrique pour M0.5ref. ...87
Figure 42 - Résistance à la compression des échantillons de béton. ...91
Figure 43 - Changement de masse des échantillons de béton soumis aux attaques de sulfates. ...94
14
Figure 45 - Profondeur de pénétration des ions chlorures dans les échantillons de béton, mesurée par
nitrates d'argent. ...98
Figure 46 - Photos au MEB des échantillons de béton immergés dans la solution ... 100
Figure 47 - Résistance à la compression des échantillons de mortier. ... 102
Figure 48 - Chaleur d'hydratation mesurée par le calorimètre semi-adiabatique (EN 196-9). ... 106
Figure 49 - Flux de chaleur d'hydratation des échantillons de mortier... 106
Figure 50 - les bondes des carboaluminates par DTG. ... 108
Figure 51 - Degré d'hydratation des mortiers. ... 110
Figure 52 - Agrandissement de X 50 au MEB des échantillons de mortier (E/C=0.5). ... 112
Figure 53 - Images MEB des spécimens de mortier... 114
Figure 54 - Variation de longueur des échantillons des mortiers dans la solution sulfates. ... 116
Figure 55 - Changement de masse des échantillons des mortiers dans la solution sulfates. ... 117
Figure 56 - Observations visuelles des échantillons de mortier dégradés par les sulfates. ... 118
Figure 57 - Changement de longueur des échantillons de mortier immergés dans la solution sulfates/chlorures. ... 119
Figure 58 - Changement de masse des échantillons de mortier immergés dans les sulfates/chlorures. ... 120
Figure 59 - Observation visuelle des échantillons de mortier dégradés par les sulfates/Chlorures. ... 121
15
Chapitre 1
Présentation de la thèse
SommaireNous allons procéder dans ce chapitre à la présentation de la thèse. Ce qui est considéré peut être comme une introduction générale de ce que va être détaillé dans la suite de la thèse. Ainsi, nous exposerons la problématique de notre travail, un état de l'art sur le sujet (question de recherche), les objectifs et un plan détaillé du manuscrit.
1.1 Question de recherche
La présente étude rentre dans le contexte de l’étude de la durabilité des matériaux cimentaires et le développement durable. Nous nous focaliserons en particulier sur l’influence de l’utilisation de ciment composé au filler calcaire (CFC) sur les propriétés des bétons et des mortiers dans le milieu marin (Actions de sulfates externes et chlorures).
Le ciment CEM I a été largement utilisé au 20ème siècle à travers le monde. Toutefois, les exigences de durabilité et d’environnement ont limité son utilisation. En effet, la durabilité des bétons dans les environnements chimiquement agressifs est universellement connue et bien spécifiée par les classes d’exposition. Ainsi, l’introduction des ciments composés est représentée comme la solution la plus fiable dans les milieux spécifiques exposés aux attaques chimiques. En plus, l’impact environnemental de la fabrication du béton est dû essentiellement à la production de ciment. Ce dernier consomme beaucoup d'énergie lors de sa fabrication de l’ordre de 4 GJ par tonne1,2 . L’extraction des matières premières réduit les
16
provoque l'émission d'une tonne de CO2 dans l'atmosphère. En effet, la production du ciment
est responsable du dégagement de 7 % du CO2 total émis dans l’air3, 4. D’après Mehta5, il est
largement admis que le développement durable des constructions ne peut être résolu que par l’utilisation de taux élevés d’ajouts pozzolaniques.
Après la présentation du Rapport de Brundtland6 sur le développement soutenable en 1987, plusieurs sommets internationaux ont eu lieu sur l’engagement de diminuer l’émission du gaz carbonique. Ce qui a été pris au sérieux par tous les continents. De ce fait, le contrôle législatif sur les émissions des gaz à effet de serre est devenu plus stricte. Ceci a favorisé de plus en plus la fabrication du CEM II au dépit du CEM I7. Selon la normalisation européenne,
on fabrique actuellement 18 catégories de CEM II qui couvrent l’utilisation générale et plusieurs cas spécifiques.
Selon les considérations économiques et les disponibilités locales en matière première, l’ajout minéral dominant en CEM II diffère d’un pays à l’autre. Néanmoins, l’utilisation du filler calcaire pour la fabrication du ciment au filler calcaire (CFC) ou en substitution au ciment dans la composition du béton est en augmentation croissante surtout avec l'apparition de certaines gammes spéciales de bétons (BAP, BAN…etc.). Selon les statistiques de Cembureau8 (Figure 1), le CFC a été le plus utilisé en 2000.
Ainsi, la question de recherche de la thèse concerne l’étude de l’influence du CFC en combinaison avec le filler calcaire ou la fumé de silice sur les propriétés mécaniques, d'hydratation et de durabilité de variétés de bétons/mortiers. Les variables d'étude adoptés sont: le type de béton/mortier (BO, BAP et BCR), le type d'ajout (FC ou FS) , le rapport E/C et le mode d’exposition sulfates ou sulfates/chlorures.
17
Figure 1 – Ciments utilisés en Europe en 2000 (Cembureau data8)
1.2 Bibliographie sur la question de recherche
Nous présentons ici seulement un état de l’art de ce qui existe en littérature et ayant un lien avec notre problématique. C'est-à-dire, l’influence des combinaisons CFC/ajouts minéraux sur les propriétés des matériaux cimentaires. A noter que l’utilisation de filler calcaire pour la fabrication du ciment CFC ou en substitution du ciment dans la fabrication du béton sera traitée dans le chapitre 2.
18
Il est connu dans la littérature que l'utilisation des combinaisons cimentaires (ciment+filler calcaire+ Ajout pozzolanique) apporte des améliorations sur les propriétés mécaniques et de durabilité. Cela s'explique généralement, par le fait que ces ajouts permettent la création de plus de sites de nucléation, des produits silico-alumineux et un meilleur remplissage (effet filler). Par conséquence, le taux de filler calcaire peut dépasser la marge spécifiée dans les normes (30-35 %) sans affecter les propriétés du béton. Ainsi, nous pouvons fabriquer des éco-bétons contenant des taux élevés d’ajouts minéraux.
1.2.1 Influence du système CFC /Ajouts minéraux sur la résistance
mécanique
Les travaux menés sur l’influence des combinaisons CFC-laitier sur la résistance mécanique sont peu nombreux. Nous pouvons citer à cet égard ceux de Courard et Michel9 (Figure 2). Ces deux chercheurs ont trouvé que la résistance mécanique du béton à base de ciment CFC et de laitier diminue avec l’augmentation du taux de substitution. Leurs résultats ont été confirmés par les travaux de Ramezanianpour et al.10 menés sur des mortiers à base de ciment et 15 % de laitier (Figure 3). Ramezanianpour et al. ont également montré une diminution de la résistance mécanique du mortier avec l’augmentation du taux de substitution en filler calcaire (à partir de 7 %).
Figure 2 – Résistance à la compression des bétons à base de CFC et de laiter (Source : Réf.9)
19
Figure 3 - Résistance à la compression à 65 jours des mortiers à base de ciment (85%) et de laitier (15%) (source : Réf.10)
De plus, Hossack et al.11 ont mesuré la résistance mécanique des bétons de pavage sur des carottes après trois ans de construction. Ils trouvent que l’ajout du laitier à un mélange CFC/Cendres volantes conduit à des résistances plus importantes qu'un béton à base d'un mélange ternaire CEM I + laitier +cendres volantes avec un taux de substitution inférieur à 30 %.
A noter que les résistances mécaniques d'un mélange cimentaire CFC/cendres volantes sont similaires voire supérieures à celles d'un mélange CEM I/cendres volantes11.
Par ailleurs, les mélanges cimentaires à base de ciment, de filler calcaire et de la fumée de silice ont une influence positive sur la résistance mécanique comme rapporté par Nehdi et
20
Figure 4 - Influence de l'ajout de la fumée de silice sur la résistance à la compression des mortiers à base de filler calcaire (source : Réf.12)
Figure 5 - Influence du taux de substitution de la fumé de silice sur la résistance à la compression des mortiers à base de CFC (Source: Réf.13)
21
1.2.2 Influence du système CFC /Ajouts minéraux sur l’action des
chlorures
L’addition des cendres volantes au CFC a un effet positif sur le coefficient de pénétration de chlorures11, 14, 15. Cela s’explique par l’influence de la réaction pozzolanique qui conduit à la formation de plus d'hydrates et la densification de la microstructure.
Figure 6 - Influence des combinaisons ajouts minéraux/CFC sur le coefficient de pénétration de chlorures (source : Réf.16)
1.2.3 Influence du système CFC /Ajouts minéraux sur l’action des sulfates
Il est bien connu que l’utilisation du CFC dans un milieu sulfatique n’est pas recommandée17. En effet, le ciment CFC peut conduire à la formation d'une porosité importante notamment si le taux de FC est élevé dans le ciment. Ce qui le rend plus susceptible à l’attaque des sulfates. Comme montré dans la Figure 7, on voit que l’expansion des mortiers au CFC est supérieure à celle des mortiers à base de CEM I. Cependant, l’ajout de cendres volantes ou de laitier diminue fortement le taux d’expansion des mortiers.
22
Figure 7 - L’action des sulfates dans les bétons à base de CFC (source : Réf.18)
1.3 Objectifs
L’objectif principal de ce travail de thèse est de caractériser l‘apport des combinaisons de la fumée de silice ou de filler calcaire substitués au ciment au calcaire sur les propriétés des bétons et mortiers. Ceci est en étudiant les propriétés des mélanges à l’état frais, à l'état durcissant, à l'état durci et vis-à-vis des attaques sulfates/ chlorures.
Le deuxième objectif est de trouver de possibles corrélations entre les différents paramètres étudiés (Résistance mécanique, absorption, coefficient de pénétration des chlorures).
23
1.4 Motivations
Ce qui a motivé le choix de cette thématique de recherche est notre espoir que les résultats de notre travail retrouvent des retombés positifs sur les plans scientifique, économique et socioculturel.
Concernant la contribution scientifique, nous souhaitons apporter une contribution sur l’utilisation de CEM II au calcaire substitué avec des ajouts minéraux. Ceci sera par l'identification de l'influence des additions de filler calcaire et de la fumée de silice. Par d'autres mots, une meilleure connaissance des mélanges cimentaires ciment au calcaire/ajouts minéraux à toutes les échelles.
De point de vue économique, la fabrication de bétons durables contribue positivement à l’économie. Ce qui encourage la fabrication de bétons spéciaux et des éco-bétons qui contiennent de plus en plus d’ajouts minéraux, de sous-produits industriels et de déchets. Ce qui va créer d’autres voies d’investissement pour les industriels (gisements d’extraction, fabrication de produits, entreprises spécialisées de bétons spéciaux, Corps d’engineering spécialisés, consultants privés…etc.) et certainement, plus d’opportunités d’emploi. Ceci ne sera possible que par l’augmentation de vie de service des constructions impliquant une diminution de budgets de nouvelles infrastructures et d’entretien.
Sur le plan socioculturel, il faut noter que les constructions d’aujourd’hui seront le patrimoine de demain. D’autres mots, augmenter la vie des constructions en respectant les traditions et la culture locale dont l’objectif est de laisser aux futures générations l’opportunité de voir et valoriser l’héritage construit par leurs ancêtres (style architecturale, matériaux et techniques de réalisation). Nous pensons que cette culture conservatrice va créer des sources de revenus pour le tourisme à long terme.
24
1.5 Méthodologie
Dans ce travail nous nous sommes intéressés, dans un premier temps, à l'étude de la durabilité des bétons. Ensuite, nous avons abordé une étude détaillée des propriétés des mortiers extraits des bétons étudiés. Les variables d’études sont le type de béton/mortier, le rapport E/C et le type d’ajout cimentaire. Pour ce faire, nous avons confectionné trois types de bétons: ordinaires (O), autoplaçants (A) et compacté au rouleau (R). De même, trois types de mortiers : ordinaires (MO), autoplaçants (MA) et compacté au rouleau (MR) ont été également confectionnés.
Il est à noter que nous avons appliqué un nouveau mode d'immersion sulfates/chlorures. Ceci par l'application de cycles alternatifs sulfates/chlorures au lieu de l'immersion dans une solution contenant les deux à la fois.
Les propriétés étudiées sont :
•La résistance mécanique à travers l’essai de compression simple, •L’absorption capillaire comme indicateur de durabilité,
• Le taux de changement de variation de masse dû à l'attaque sulfates/chlorures. •La microstructure par les observations au MEB (morphologie).
De plus, nous avons effectué les tests suivants pour les mortiers:
•Mesure de la chaleur d'hydratation par calorimétrie semi-adiabatique19. •Caractérisation de l'hydratation par analyse thermogravimétrique ATG. •Test de migration rapide des chlorures20.
25
1.6 Plan de thèse
La thèse est répartie en 4 chapitres comme suit :
Le chapitre 1 est dédié à la présentation de la problématique de l’étude (influence de combinaisons cimentaires de CFC+ajouts sur les propriétés des bétons et mortiers), un état de l’art sur la problématique ; objectifs du travail ; motifs et méthodologie adoptée pendant le travail expérimental.
Le chapitre 2 traite de l’état de l’art en lien avec notre étude. En effet, nous avons présenté en premier lieu les différents types de ciment et les mécanismes d’hydratation, les produits d’hydratation et le processus de la prise. En deuxième lieu, les aspects de durabilité sont présentés, à savoir, les causes de la détérioration du béton, les classes d’exposition, les paramètres de transfert, l’action des sulfates, l’action des chlorures et l’attaque des sulfates d’origine extérieure. Dans un troisième temps, l’influence du filler calcaire sur les propriétés des matériaux cimentaires a été présentée. Ainsi que l’influence de la fumée de silice. En fin, les cas particuliers des bétons autoplaçants et compactés au rouleau routier ont été abordés. Dans le chapitre 3, une présentation du travail expérimental est fournie. En effet, nous avons présenté les matériaux utilisés ; les modes opératoires adoptés avec justificatifs du des choix de certains essais et la formulation des bétons et mortiers.
Le chapitre 4 est destiné à la présentation des résultats et discussions. En plus, nous avons présenté et discuté quelques corrélations entre les propriétés étudiées.
La thèse se termine par une conclusion générale comportant l'ensemble des conclusions élémentaires, des conclusions de synthèse et des perspectives de l'étude. Ainsi qu'une liste de références bibliographique complète le document.
26
Conclusions
Nous avons opéré dans ce chapitre à une présentation contextuelle du travail de thèse. On a spécifié le contexte, la problématique, les objectifs et les motifs de notre recherche.
Il semblait que le ciment composé au filler calcaire contribue fortement à la fabrication des éco-matériaux cimentaires. Ce pendant, plusieurs aspects liés aux mélanges cimentaires en présence de certains ajouts minéraux nécessitent des études de recherche plus approfondies. Ce qui constitue l'objectif du travail présenté dans les chapitres qui suivent.
27
Chapitre 2
État de l’Art
SommaireDans ce chapitre, nous essayons de donner un état de l'art portant sur les aspects traités dans la partie expérimentale. Ainsi, ce chapitre abordera le ciment portland, l'hydratation du ciment, la durabilité des bétons, les ajouts minéraux, l'influence de l'incorporation du filler calcaire et de la fumée de silice sur les propriétés des matériaux cimentaires et une synthèse des travaux menés sur les BAP et BCR.
2.1 Le ciment Portland
2.1.1 Généralités
Le ciment portland est un liant hydraulique composé essentiellement de silicates et d’aluminates. Il réagit chimiquement avec l’eau pour former un matériau rigide, la pâte de ciment durci. Quand on ajoute les granulats à la pâte, le ciment a le rôle d’un liant qui colle les granulats entre eux pour former le béton. Il est le matériau de construction le plus utilisé au monde21. Il est fabriqué par l’échauffement d’un mélange de calcaire et d’argile et d’autres matériaux à une température d’environ 1450 °C22. Les ciments hydrauliques se classent généralement en ciment naturels, ciment portland et ciment d'aluminates23.
La composition chimique du ciment contient en pourcentages environ 65℅ de CaO, 21℅ de SiO2, 6℅ de Al2O3 et des alcalins (Fe2O3, MgO,K2O,Na2O et SO3), comme indiqué dans le
Tableau 124. Les phases majeures du ciment portland sont les silicates tricalcique (3CaO•SiO2), les silicates bicalciques (2CaO•SiO2), les aluminates tricalciques
28
(3CaO•Al2O3), la phase ferrite (4CaO•Al2O3•Fe2O3)25. Les caractéristiques de ces phases sont
représentées dans le Tableau 226.
Tableau 1 - Composition en oxydes du ciment portland (source :Réf.24)
29
Il existe 5 catégories de ciment CEM I, CEM II, CEM III, CEM IV et CEM V. On trouve dans norme EN 206 la composition de chaque ciment. En outres, dans la norme ASTM C 150, on donne le domaine d’application de chaque catégorie ainsi que sa composition minéralogique typique (Tableau 3).
Tableau 3 - Domaines d’application et composition minéralogique des ciments (Source : Ref.21)
2.1.2 L’hydratation du ciment portland
Selon Gartner et al.27, l’hydratation du ciment portland est une conséquence de réactions
chimiques entre les composants du clinker, les sulfates de calcium et l’eau, qui conduissent à la prise et au durcissement. Plusieurs approches de l’hydratation sont données dans la littérature. Nous avons choisi de présenter celle de Vernet. Comme reportée par Aitcin24. Vernet a présenté schématiquement l’hydratation en 5 étapes.
2.1.2.1 ÉTAPE 1 : Étape de Malaxage
Lors de cette étape, les différents ions des phases sont dissolus. Cette dissolution est très rapide et exothermique. La surface des grains de ciment commence à se couvrir par les hydrates de C-S-H formés par les ions Ca2+, H2SiO-4 et OH- qui proviennent des silicates du
30
proviennent de la phase interstitielle et de l’eau. Les grains peuvent être aussi couverts par les différentes formes de calcium et des alkalis de sulfates présents dans le ciment.
2.1.2.2 ÉTAPE 2 : la période dormante
Après deux heures de malaxage environs, l’augmentation rapide de pH et de Ca2+ de la solution aqueuse fait baisser la dissolution du clinker ; le dégagement de chaleur diminue encore considérablement mais ne s’arrête pas. De petites quantités de C-S-H et d’ettringite continuent à se former et la solution aqueuse devient saturée par les ions Ca2+ et marquée par une augmentation continue de la conductivité. La portlandite ne se forme pas à ce stade à cause de son taux de germination plus faible que celui des C-S-H.
2.1.2.3 ÉTAPE 3 : Prise et accélération de l’hydratation
Cette étape commence après environ 5 heures de malaxage. La prise commence brusquement par la précipitation des cristaux de la portlandite quand la concentration des silicates dans la phase aqueuse est inférieure à quelques micromoles par litre. La consommation rapide de Ca2+ et OH – lors de la formation et du développement des cristaux de portlandite accélère la dissolution des phases anhydres du clinker. La conductivité se baisse soudainement, et ensuite se stabilise pendant un certain temps, et la une quantité de chaleur dégagé à ce stade est faible car la précipitation de la portlandite est endothermique. 2.1.2.4 ÉTAPE 4 : Durcissement
Cette étape commence après 9 heures de malaxage. Dans la majorité des ciments portlands la proportion molaire de calcium et des alkalis de sulfates est inférieure à celle des aluminates, en conséquence, la formation rapide de l’ettringite à la fin de la période dormante implique l’épuisement des SO2- 4 qui se déroule entre 9 et 15 heures après le malaxage. A ce
moment, l’ettringite commence à décomposer et libère SO2- 4 qui doit former les cristaux de
monosulfates de calcium. Cette réaction consomme 2 moles d’aluminates pour chaque mole d'ettringite décomposée. En suite, les aluminates commencent à réagir d’une façon rapide et on voit le développement d’un pic exothermique. L’intensité de ce pic dépend du taux d’hydratation de C3A. La chaleur dégagée accélère le taux d’hydratation de la phase de
31
silicates. Un petit pic est observé sur la courbe de conductivité dû au passage des alkalis piégés dans le système C3A à la solution aqueuse. La chaleur d’hydratation est dégagée
rapidement mais sans développement significatif de résistance mécanique. Dans le cas d'un mortier, C’est seulement après 20 heures que la résistance à la compression commence à s’accroitre.
2.1.2.5 ÉTAPE 5 : Étape de ralentissement
Les particules de ciment se couvrent par des couche plus au moins minces d'hydrates qui ralentissent la progression de l’eau à travers l’interface entre les hydrates et les constituants anhydres. L’hydratation est ralentie, mais les réactions chimiques continuent lentement. A ce moment, le retrait autogène peut devenir un facteur important qui influence fortement les variations volumétriques du béton dans les mélanges de faible rapport E/C. la conductivité électrique est très faible. Celle-ci un bon indicateur de la quantité d’eau dans le béton.
A 28 jours, la pâte du ciment est compacte, et les C-S-H sont le composant majeur du béton. Quelques cristaux de portlandite deviennent plus grands que les grains de ciment à l’état initial. Dans quelques zones imperméables, l’hydratation peut se poursuivre parce que les composants anhydres sont capables de drainer une quantité de l’eau issue de l’eau de gel, qui correspond à l’auto-dessiccation de la pâte de ciment comme indiqué par Powers.
32 (1)
(2)
(3) (4)
(5)
Figure 8 - Représentation schématique des étapes de l’hydratation (source : Vernet
33
2.1.3 Mécanisme de la prise de la pâte du ciment
Dans la littérature, il existe plusieurs théories expliquant ce mécanisme. En effet, Rehbinder28 a souligné que la prise est due à la formation de structures thixotropiques coagulées issues de la dispersion des composants anhydres. Cette dispersion est due à l’hydratation colloïdale initiale des produits des phases d’aluminates.
D'autres part, Odler29 a attribué la prise à la l’augmentation du volume des produits d’hydratation. Ce volume est le résultat de la diminution des distances entre les particules. Ainsi, la fluidité de la pâte diminue avec l’augmentation progressive des forces de cohésion. En revanche, Locher30 explique que la prise n’est pas le résultat de réactions chimiques, mais c’est la forme et la taille de produits d’hydratation cristallisés. L’aspect physique de ces produits dépend de la disponibilité relative d’aluminates, sulfates et ions de calcium dans la solution.
D'aprèsGartner27, la prise normale est la conséquence de la formation des C-S-H, issues de l’hydratation de C3S. La formation de l’ettringite en grains fins est désirable afin de maintenir
la fluidité de la pâte. Cette fluidité diminue avec la formation des C-S-H.
Il est clair que les explicitations données dans la littérature sont des propositions scientifiques et logiques. Néanmoins, il semble que le mécanisme est compliqué parce que le processus est physico-chimique au lieu d’être chimique ou physique. Certes, la formation de produits d’hydratation est un processus chimique, mais il a un aspect physique. Ce dernier est lié à la recristallisation des produits initiaux en hydrates.
2.1.4 La microstructure de la pâte de ciment durci
Connaitre la microstructure de la pâte du ciment est indispensable pour l’explication du comportement du béton à l’échelle macrostructurelle. L’évolution des techniques de caractérisation a permis une meilleure interprétation. Parmi ces techniques, le Microscope Electronique à Balayage (MEB), le spectre de dispersion et les techniques pétrographiques.
34
Par définition, la pâte de ciment durci est un matériau composite dont ces propriétés dépendent des propriétés de ses constituants27. Gartner a présenté dans le Tableau 4 les composants de la pâte de ciment durci. On voie que le C-S-H est le composant majeur avec 50 %, suivi par la portlandite avec 12 %.
Tableau 4 - Composition de la pâte du ciment durci d’un CEM I avec E/C= 0.5 (source : Réf.27)
Dans la Figure 09, on présente une image de la pâte observée au MEB en mode rétrodiffusé. Les particules larges représentent les grains de ciment anhydres, entourés par les S-H. Le tout est intégré dans une masse poreuse, constituée de la portlandite, de gel de C-S-H, d’ettringite et de porosité capillaire.
35
Figure 9 - Microstructure de la pâte du ciment (source : Réf.27)
2.2 La durabilité des bétons
2.2.1 La durabilité
Il y a un accord universel sur la définition de la durabilité du béton. Selon Neville31 ‘ je
définie la durabilité comme suit: chaque construction doit continuer à accomplir ses fonctions espérées, c’est ça, maintenir sa résistance et serviciabilité exigées pendant la vie de service souhaitée sous les conditions dans lesquelles la structure doit être exposée.’
Nous nous intéressons à la question de durabilité parce qu'elle gouverne la qualité de nos structures et infrastructures. En effet, construire durablement est l'un des piliers principaux du
36
développement durable. En d'autres termes, l'augmentation de la vie de service d'ouvrages en respectant les spécifications de la durabilité. Cela permettra de minimiser le budget total alloué à de nouvelles constructions ou à la réparation des ouvrages dégradés. D’après Mehta5 , c’est en associant la durabilité, l’économie et l’impact environnemental que l'on arrive à construire durablement en béton.
2.2.2 Les causes de dégradation du béton
On trouve dans la littérature plusieurs causes de dégradation des constructions en béton23,
32, 33, 34. Ces causes sont classées selon différents critères. Certains auteurs adoptent un
classement selon l'origine (intérieur ou extérieur au matériau) et d'autres selon la nature du désordre (physique ou chimique). Nous avons choisi de présenter ici la classification de Mehta et Monteiro32. Nous présentons les causes physiques dans la Figure 10 et les causes chimiques dans la Figure 11.
37
Figure 11 - La dégradation du béton due aux attaques chimiques (Source: Réf.32)
Selon Basheer et Barbuiya35, a part les causes de dégradation des structures, il y a d’autres
facteurs affectant la durabilité du béton (Figure 12).
38
Selon ces auteurs, les chlorures sont la première cause de dégradation, suivi par la carbonatation comme représenté dans la Figure 13
Figure 13 - Les facteurs causant la dégradation des structures en béton armé (source : Réf.35)
2.2.2.1 L’influence des chlorures
Les chlorures sont la première cause de la corrosion des structures en béton armé en milieux marins. La source des chlorures peut être interne venant des constituants du béton, ou bien d’origine extérieure. Selon Broomfield36, les chlorures peuvent se trouver dans le béton et ils sont dues à:
- Type d’adjuvant (Na Cl2 a été largement utilisé jusqu’aux années 70s);
- L’utilisation de l’eau de mer comme eau de gâchage ; - La contamination des granulats.
Ou bien, venant du milieu extérieur, ils diffusent dans le béton par : - Les ambrins marins ou bien l’immersion directe dans l’eau de mer ;
- Les sels de deverglassage
- L’utilisation de produits chimiques dans la construction (ex
Les chlorures pénètrent dans le béton par diffusion. C'est le différentiel de concentration. En effet,
solution saturée en chlorures à travers les pores pénétration des chlorures est
conditions d’humidité du matériau au moment d’exposition le béton se fait sous plusieures formes
et migration) couplées avec les effets d’interactions à la surface du béton de ion/ion et ion/pore.
La couche passive protégeant l’acier devient
particulières. C’est quand le niveau de chlorures dans le béton, autour des armatures, dépasse un niveau critique de concentration. Ce niveau
Figure 14 - Processus de la corrosion par piqures due aux chlorures
39 Les sels de deverglassage ;
de produits chimiques dans la construction (ex : Stockage). nt dans le béton par diffusion. C'est le
différentiel de concentration. En effet, ce gradient de pression cause l’écoulement de la en chlorures à travers les pores37. D’après Page et Page
pénétration des chlorures est compliqué, et dépend de plusieurs paramètres
conditions d’humidité du matériau au moment d’exposition. Le transport des chlorures dans le béton se fait sous plusieures formes (diffusion, convection/mouvement capillaire, succion et migration) couplées avec les effets d’interactions à la surface du béton de ion/ion et
La couche passive protégeant l’acier devient inefficace dans des circonstances st quand le niveau de chlorures dans le béton, autour des armatures, dépasse iveau critique de concentration. Ce niveau s’appelle le seuil critique de concentration
Processus de la corrosion par piqures due aux chlorures : Stockage).
nt dans le béton par diffusion. C'est le résultat d’un gradient ce gradient de pression cause l’écoulement de la après Page et Page34, le mécanisme de et dépend de plusieurs paramètres dont les Le transport des chlorures dans (diffusion, convection/mouvement capillaire, succion et migration) couplées avec les effets d’interactions à la surface du béton de ion/ion et
dans des circonstances st quand le niveau de chlorures dans le béton, autour des armatures, dépasse s’appelle le seuil critique de concentration38.
40
Plusieurs valeurs du seuil ont été proposées dans la littérature. Dans une étude menée par Vassie39 sur la corrosion des ponts, il a conclu que 76 % des ponts se corrodent lorsque le seuil de chlorures dépasse 1,5 %. D’après Broomfield36, le seuil correspond à 0.4% de chlorures par masse de ciment si les chlorures sont inclus dans le béton, et 0.2% si l’origine est l’environnement. Cette variation n’est pas encore bien expliquée, et seulement la variation dans la composition chimique du liant est l’hypothèse proposée34. Broomfield36 a détaillé quelques paramètres qui peuvent engendrer cet aspect de variabilité du seuil critique de chlorures :
• Le pH du béton varie avec le type de ciment et la formulation du béton. Un changement de pH implique un grand changement de concentration de OH- ;
• Les chlorures peuvent être fixés chimiquement par les aluminates dans le béton et physiquement par l’absorption dans les parois des pores;
• Dans un béton très sec, la corrosion ne s’amorce pas même avec une concentration élevée de Cl- . Tant que l’eau est absente il n'y a pas de réaction de corrosion ;
• Dans un béton scellé, polymérisé ou saturé, la corrosion ne s’amorce pas même avec une grande concentration de Cl- . En effet, il n'y a pas assez d’oxygène pour alimenter la réaction de corrosion.
2.2.2.2 L’influence des sulfates
L’attaque sulfatique a attirée l’attention des chercheurs depuis des décennies. Elle reste encore l’objet de débats scientifiques à nos jours. D’après la terminologie de l’ACI40, l’attaque par sulfates est une réaction chimique, physique ou chimico-physique entre les sulfates (issus du sol ou de l’eau souterraine) et le béton ou mortier. Cette réaction chimique se passe principalement avec les hydrates d’aluminates de calcium dans la pâte de ciment’. Elle est composée d'une série de réactions chimiques entre les ions de sulfates sous forme gazeuse ou liquide et les composants du béton durci, principalement la pâte de ciment41.
41
D’après la littérature, il existe trois formes d’attaque sulfatique, à savoir, la forme classique (conventionnelle), l’attaque sulfatique avec la formation de Thaumasite, la formation différée de l’ettringite. Nous rappelons que pour notre étude, nous nous limitons à la présentation de la première forme de l’attaque qui conduit à la formation d’ettringite expansive. La réaction chimique dans ce cas cause l’expansion du béton, impliquant une fissuration irrégulière (Figure 15). Ce qui facilite la pénétration d’agents agressifs.
Figure 15 - L’attaque sulfatique classique associée à la formation d’ettringite (source : Réf.42)
Pour la formation de l’ettringite, les sulfates entrent en contact avec la source d’aluminates et de calcium dans le béton. Dans une pâte de ciment durcie, l’aluminium est présent sous forme d'ettringite Al2O3-Fe2O3-mono (AFm) , ou bien substitué dans le gel de C-S-H22.
L’aluminium de la phase AFm est généralement plus soluble que celui du gel de C-S-H. Donc, la phase AFm présente est le monosulfate (3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O). Les
42
constituants de la pâte et les conditions environnementales donnent les phases AFm, le sel de Friedel (3CaO.Al2O3.CaCl2.10H20), le monocarbonate (3CaO.Al2O3.CaCO3.11H20) et
l’hemicarbonate (3CaO ;Al2O3.1/2CaCO3.1/2CaO.12H2O)37.
La réaction avec le monosulfate est comme suit42:
(1.1) En pratique, les principaux paramètres influençant l’expansion sont :
• Les conditions d’exposition (sévérité de l’attaque) ;
• L’accessibilité (perméabilité du béton) ;
• La susceptibilité du béton (type de ciment et quantité de la matière attaquable) ; • La quantité de l’eau (l’humidité).
2.2.3 Les classes d’exposition
C’est une notion basée sur le principe de classification des différentes catégories d’environnements et des micro-climats qui peuvent entourés un structure selon des critères définis (la concentration et l’origine des agents destructifs, l’humidité relative, la distance de la mer, les cycles d’alternances d’humidification/séchage…etc.). Elles comportent des spécifications pour chaque sous classe (la composition du béton en termes de classe de résistance minimale, le rapport E/L maximum, le dosage en ciment minimum, des limitations sur le type d’ajout minéral et sa quantité…etc.). En Europe, cela est consigné dans la norme
EN 206-1. L’Annexe Nationale française de la norme NF EN 206-1 définit des valeurs limites spécifiques relatives au béton en fonction de chaque classe d’exposition.
La norme NF EN 2061, en conformité avec l’Eurocode 2 (norme NF EN 199211), défi -nit (article 4.1 : Classes d’exposition en fonction des actions dues à l’environnement) 18
43
classes d’exposition regroupées par niveau de risque de corrosion (XC, XD, XS) et d’attaques (XF, XA) dépendant des actions et conditions environnementales auxquelles le béton est soumis. La norme décrit, pour chaque classe d’exposition, l’environnement et le type de béton concerné et donne à titre informatif des exemples d’ouvrages ou de parties d’ouvrages.
Tableau 5 - Classes d’exposition selon NF EN 206-1 (source : Cimbéton)
2.3 Les ajouts minéraux
2.3.1 Définition
Selon Ramanchandran43, les ajouts minéraux sont des produits fins, ajoutés aux mortiers et bétons afin d’obtenir des propriétés spécifiques. Contrairement aux ajouts chimiques (adjuvants), ils sont incorporés avec un taux relativement élevé. Ils sont introduits lors de la
44
fabrication des ciments, ou bien ajoutés en substitution massique au ciment dans la composition des bétons.
2.3.2 Classification
D’après la norme européenne EN 206-1, on distingue deux types d’additifs, Type I et Type II (selon le degré de réactivité de l’ajout exprimé par la valeur du coefficient d’équivalence k). Le type I englobe les ajouts inertes et semi-inertes, et le type II les ajouts pozzolaniques et Hydrauliques. Le tableau 6 présente cette classification et les ajouts entrant dans chaque type.
Tableau 6 - Classification des additifs selon la norme EN 206-1 et BS 8500 (source :Réf.44)
Mehta et Monteiro32ont fourni une classification des pozzolanes basée sur les critères de degré de pozzolanicité et de caractère cimentaire (Tableau 7). Selon ces auteurs, il y'a 4 types,
les ajouts cimentaires et pozzolaniques (le laitier, cendres volantes avec taux de calcium
élevé) ; les pozzolanes de forte activité (la fumée de silice condensée, cendres de riz) ; les
pozzolanes d’activité normale (cendres volantes de faible taux de calcium, matériaux
naturels) ; les pozzolanes faibles (le laitier de refroidissement lent, cendres marginales, laitier boilé, cendre de riz brulé sur place).
45
Tableau 7 - Classification, composition et caractéristiques des ajouts pozzolaniques (source : Réf.32)
2.4 Matrices cimentaires à base du filler calcaire
Dans ce chapitre, nous présentons les différents aspects de l’influence de l’incorporation du filler calcaire (soit incorporé lors de la fabrication du ciment dans le type CEM II/L ou bien comme ajout minéral en substitution partielle au ciment lors de la confection des mélanges cimentaires. Il est à rappeler que les propriétés des mélanges cimentaires dans les deux situations ne sont pas identiques. C'est-à-dire que le mode d’action de filler calcaire dans un
46
système CEM I + FC est différent de celui d’un système CEM II/L (le ciment CEM II/L est optimisé lors de sa fabrication en usine pour avoir de performances identiques à celles du CEM I).
2.4.1 Définitions
Selon The New Shorter Oxford English Dictionary, un filler est une substance inerte
ajoutée aux composants chimiques pour obtenir une certaine densité, texture, résistance…etc. Cependant, dans le domaine de la construction, un filler est un ajout minéral
de type I (qui n’est pas de la famille des ajouts pozzolaniques). Il peut être obtenu après traitement de calcaire (broyé spécialement pour l’utilisation comme ajout minéral) ; ou bien co-broyé avec le clinker pour fabriquer les ciments au calcaire37. Sa distribution granulométrique dépend du processus de fabrication et des exigences de l’application souhaitée. La taille moyenne de la majorité des grains est légèrement inférieure à celle du ciment portland, ou bien de même taille23. Le filler calcaire est composé essentiellement de CaCO3, et d’autres minéraux (Tableau 8).
Figure 16 - Granulométrie de ciment et du filler calcaire (source: Réf.45)
47
Tableau 8 - Composition typique du filler calcaire (source: Réf.10)
Le filler calcaire a été considéré pendant longtemps comme inerte (ne réagit pas avec le ciment). Car, il ne participe pas au développement des résistances mécaniques à travers une réactivité chimique37. En revanche, certains auteurs ont rapporté récemment qu’il n’est pas complètement chimiquement inerte. Il peut contribuer au développement de la microstructure du béton, en particulier quand il est co-broyé avec le clinker15. Cette contribution a été étudiée par plusieurs auteurs :
Tsivilis et al.7 expliquent que le filler calcaire plus fin que le ciment lorsqu’il est broyé avec ce dernier, et qu'il améliore le squelette granulaire et lui confère un meilleur remplissage. Tandis que Soroka et Setter46 montrent que les grains fins de filler calcaire créent de nouveaux sites de nucléations. Bonavetti et al.47 avancent que le filler calcaire provoque une augmentation du taux d’hydratation des silicates de calcium au jeune âge et un perfectionnement de la distribution des hydrates. De leur coté Matschei et al.48expliquent que le CaCO3 réagit chimiquement avec les phases d’aluminates pour former les carboaluminates.
Dans les normes, on trouve des exigences portant sur la qualité du filler calcaire ( EN
197-1, ASHTO et ASTM). Selon ces dernières, il doit contenir de 70-75 % de CaCO3, moins de
1,2 % d’argiles et moins de 0,5 % de carbone organique total. En effet, ils existent deux types de filler en fonction de leur taux en carbone organique : LL (≤0.20 %) et L (≤0.50 %).
48
D’après Barcelo et al.49, le CFC est un ciment hydraulique fabriqué par une combinaison de filler calcaire, de clinker et de sulfates de calcium.
Selon la normalisation européenne (EN 197-1), le CFC est un CEM II de type A ou B en fonction du taux de clinker et du filler calcaire. Le CEM II A contient un taux de clinker compris entre 80 et 94 % et un taux de filler calcaire compris entre 6 et 20 %. Alors que le CEM II B a des taux de filler respectivement de 65-79 % et 21-35 %. Dans les normes américaines ASTM C595-12 et AASHTO M240-12, le taux d’ajout en filler calcaire compris entre 5 et 15 %. Selon Barcello et al. 49 il y'a deux types de CFC, le type IL qui contient le clinker et le filler calcaire et le type IT (ternaire) qui contient le clinker, le filler calcaire et un ajout minéral. Les norme canadiennes ont permis depuis 2008 l’ajout de filler calcaire jusqu’à 15 %18, 50. En 2009, la norme CSA A23.1 a été révisée afin de permettre l'utilisation des CFC couvrant toutes les classes du ciment.
2.4.2 Historique
Dans les pays européens l’utilisation du CFC date des années 60s, alors que son utilisation en Amérique du Nord est récente et limitée à 15 %. Le Tableau 9 résume l’histoire d’utilisation de CFC :
Tableau 9 - Historique d'utilisation des ciments au calcaire.
1965 Heidelberger fabrique un ciment substitué à 20 % de calcaire en Allemagne pour des applications spécifiques.
1979 Les normes françaises permettent l'addition de filler calcaire comme additif. 1983 La norme canadienne CSA A5 permet l'ajout de % dans le Type 10 de ciment (GU). 1990 Des ciments ayant à 5-15 % de substitution en Allemagne.
1992 La norme BS 7583 permet 20 % de substitution en FC.
2000 EN 197-1 permet 5 % de FC dans la fabrication de tous les 27 ciments de cette norme.
2000 EN 197-1 a créé le CEM II/A-L (6-20%) et CEM II/B-L (21-35%). 2004 ASTM C 150 permet 5% de FC dans le type IV.
2006 CSA A3001 permet 5% dans d'autres types que le type GU. 2007 AASHTO M85 permet 5 % dans le type IV.
49
2.4.3 Influence du FC sur l’hydratation du ciment
Pera et al.51 ont montré que le filler calcaire réagisse beaucoup avec le C3A et conduit à
une augmentation du taux de dégagement de chaleur d'hydratation. De leur coté, Ye et al.45 ont confirmé ce résultat en comparant le taux de dégagement de chaleur lors de l'hydratation des pâtes autoplaçantes contenant du filler calcaire et des pâtes normales qui n'en contiennent pas. Ils ont trouvé une différence d'environ 150 mW/g (Figure 17).
Figure 17 - Influence de FC sur le taux de dégagement de chaleur d’hydratation à 20°C (source : Réf.45)
Concernant les produits hydratés, des chercheurs45, 52, 53ont montréqu'après 2 jours, le taux
de la portlandite dans les pâtes à base de FC est moins important que celui des pâtes à base de CEM I. Ceci est dû à la différence du taux de clinker présent dans les deux matériaux cimentaires. La même remarque a été faite par Ye et al.45 concernant la présence des C-S-H dans les matériaux à base de CFC.
Bonavetti et al.54 ont représenté l’évolution des produits d’hydratation pour les CFC en signalant la présence importante des monocarboaluminates (Figure 18).
50
Figure 18 - Évolution de produits d'hydratation dans les CFC
E: ettringite, MC: monocarboaluminate, Ms: monosulfoaluminate, CC: carbonate de calcium (source :Réf.54)
Par ailleurs, Borcelo et al.55expliquent que la quantité de C3A et le taux de filler calcaire
sont les facteurs les plus importants dans la formation des produits d’hydratation des matériaux à base de CFC.
El-Didamony et al.56 montrent qu’au delà de 5 % en FC, le temps de prise diminue avec l’augmentation du taux de calcaire. cette influence de FC sur l’accélération du temps de prise a été également confirmé par d’autres auteurs47, 57.
2.4.4 Influence du FC sur la résistance mécanique
Il existe un certain consensus en littérature entre l’augmentation du taux de substitution en filler calcaire et la baise des résistances mécaniques. En effet, Bonavetti et al.54trouvent que la résistance mécanique des bétons diminue avec l’augmentation du taux de substitution en
51
FC de 0 à 20 %. Dhir et al.58 remarquent qu'une diminution de la résistance mécanique des mortiers avec l’augmentation du taux de substitution de 15 à 45 % pour un rapport E/C= 0,6. En 2010, Ezziane et al.59 en étudiant les performances des mortiers avec un CEM I et des substitutions de 15 % de FC, 20 % de pozzolane naturelle et 30 % de laitier, ils confirment que les mortiers à base de FC donnent la valeur la plus faible (Figure 19).
Figure 19 - Influence de différents ajouts minéraux sur la résistance à la compression des mortiers (source : Réf.59)
Par contre, Hornain et al.60 mentionnent qu’un béton avec 15 % de fine calcaire présente une résistance plus importante qu'un béton sans ajout.
Les équipes de Thomas et de Bentz rapportent que les ciments CFC ont été élaborés pour conduire à des performances identiques à celles d’un CEM I dans la limite d'un taux de substitution ne dépassant pas 15 %. Cette valeur adoptée par les normes américaines et canadiennes se base sur les travaux de Matschei et al.48. Ces derniers ont établi une
52
Figure 20 - Changement relatif de la résistance à la compression et de porosité des bétons au CFC (Source: Réf.48)
Et effectivement, Thomas et al.61 ont testé des échantillons de béton de pavage et trouvé des valeurs similaires des résistances à la compression pour les bétons à base de CEM I, et ceux à base de CFC pour différents âges et différents taux de substitution en FC.
2.4.5 Influence du FC sur les paramètres de transfert
Les paramètres de transfert des bétons à base de CFC ont été peu étudiés. Les travaux de Ye et al.45 ont trouvé que les BAP avec FC ont moins de volume cumulatif de pores par rapport les bétons ordinaires sans FC avec une différence de 0,05 %. En 2007, Matschei et al.48 ont trouvé une augmentation de la porosité des bétons à base de CFC à partir d’un taux de FC de 9 %. Une étude récente50 montre que les mortiers à base de CFC présentent une distribution de pore capillaire similaire à celle des mortiers à base de CEM I, mais une légère augmentation a été marqué pour les mortiers à base de CFC concernant les pores de diamètre compris entre 3 à 6 nm (pores de gel). (Figure 21)
